Переведіть одиниці: нм, мм і см у м, і перевірте, чи кути відлічено від нормалі.
Перевірте знаки та правдоподібність: уявне зображення має dᵢ < 0, джерело, що наближається, звучить вище, закрита труба має лише непарні гармоніки.
2Задачі для практики
1.КінематикаСередня
Автомобіль, що їде зі швидкістю 90 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 3,5 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 90 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 1,9 s після того, як камінь відпустили. Швидкість звуку 343 m/s; нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть глибину d колодязя.
ttotal = 1,9 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 18 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 18 kgθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 1,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 1,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 25° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.
v0 = 30 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 11 m/s під кутом 40° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 35 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 11 m/sθ = 40°h = 35 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Робота й енергіяСередня
Автомобіль, що рухається зі швидкістю 40 km/h рівною дорогою, різко гальмує й зупиняється юзом із заблокованими колесами. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,8. Знайдіть гальмівний шлях d.
v = 40 km/hμ = 0,8g = 9,81 m/s²
d = m
8.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 0,5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 2,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 5 m (μ = 0,1), а потім натрапляє на пружину (k = 1000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 0,5 kgh = 2,5 mL = 5 mμ = 0,1k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Імпульс і зіткненняСередня
Автомобіль масою 1400 kg, що рухається зі швидкістю 17 m/s, налітає на нерухомий автомобіль масою 1400 kg, і вони зчіплюються. Який відсоток ΔK/K початкової кінетичної енергії втрачається?
m1 = 1400 kgv1 = 17 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,2 kg ударяється об стіну зі швидкістю 11 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 12 m/s. Контакт триває 40 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,2 kgvin = 11 m/svout = 12 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
11.Гідростатична силаСередня
Вертикальний прямокутний затвор шириною 2 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 2,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
Вертикальний прямокутний затвор шириною 3 m розташований у стінці резервуара з рідиною (морська вода), його верхній край на 2 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
d = 2 mH = 2 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Нерозривність і БернулліСередня
Трубка Піто–Прандтля у водопровідній трубі показує різницю 11 kPa між тиском гальмування і статичним тиском. Знайдіть швидкість води v біля носика трубки.
p0 − p = 11 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Нерозривність і БернулліСкладна
У закритому резервуарі над водою стиснене повітря з надлишковим тиском 70 kPa. Вода витікає в атмосферу через отвір діаметром 30 mm, розташований на 4,5 m нижче за поверхню води. Нехтуючи втратами, знайдіть витрату Q. Візьміть g = 9,81 m/s².
Теплова машина працює між гарячим резервуаром при 600 °C і холодним при 30 °C. Знайдіть найбільший можливий термічний ККД ηmax.
TH = 600 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Тепловий двигун за цикл отримує 2200 kJ теплоти від резервуара з температурою 700 °C, виконує 1210 kJ роботи, а решту віддає резервуару з температурою 35 °C. Знайдіть сумарне генерування ентропії Sgen за цикл.
TH = 700 °CTL = 35 °CQH = 2200 kJW = 1210 kJ
Sgen = kJ/K
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Предмет стоїть на відстані 15 см перед тонкою лінзою (збірна) з фокусною відстанню 5 см. Знайдіть відстань до зображення di. Користуйтеся правилом знаків 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 для розсіювальної лінзи, di < 0 для уявного зображення).
do = 15 cmf = 5 cm
di = cm
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Оптичне волокно має осердя з n₁ = 1,62 і оболонку з n₂ = 1,54. Знайдіть найбільший кут θa до осі волокна, під яким світло з повітря може увійти в торець волокна й усе одно направлятися повним внутрішнім відбиттям.
n1 = 1,62n2 = 1,54n0 = 1,00
θa = °
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 89,29 m
Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.
Одиниці
v₀ = 90/3,6 = 25 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·3,5) = 89,29 m
Відповідь
s = 89,29 m
2.Кінематика
Відповідь: d = 16,81 m
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Дві частини часу
½·9,81·t₁² = 343·(1,9 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 651,7 = 0
Час падіння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·651,7))/(2·4,905) = 1,851 s
Глибина
d = ½·9,81·1,851² = 16,81 m
Відповідь
d = 16,81 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 3,631 m/s²
Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.
Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 30·cos 25° = 27,19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 25° = 12,68 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 12,68²/(2·9,81) = 8,193 m
Відповідь
H = 8,193 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 37,55 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Початкова вертикальна швидкість
vy = 11·sin 40° = 7,071 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 7,071²/(2·9,81) = 2,548 m
Висота над землею
H = 35 + 2,548 = 37,55 m
Відповідь
H = 37,55 m
7.Робота й енергія
Відповідь: d = 7,865 m
Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).
Швидкість в основних одиницях
v = 40/3,6 = 11,11 m/s
Енергетичний баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 11,11²/(2·0,8·9,81) = 7,865 m
Відповідь
d = 7,865 m
Подвоєння швидкості збільшує гальмівний шлях учетверо.
8.Робота й енергія
Відповідь: v = 6,264 m/s
Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).
Енергія після шорсткої смуги
Рампа гладка, тож енергію забирає лише смуга.
mgh − μmgL = 4,905·(2,5 − 0,1·5) = 9,81 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2) = 6,264 m/s
Відповідь
v = 6,264 m/s
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: ΔK/K = 50 %
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Спільна швидкість
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1400·17/2800 = 8,5 m/s
Кінетична енергія до й після
Kbefore = ½·1400·17² = 202300 J
Kafter = ½·2800·8,5² = 101150 J
Втрачена частка
ΔK/K = 101150/202300 = 50 %
Відповідь
ΔK/K = 50 %
Втрачена енергія йде на деформацію, теплоту й звук.
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 4,6 N·s
Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.
Зміна імпульсу
J = m·Δv = 0,2·(12 + 11) = 4,6 N·s
Відповідь
J = 4,6 N·s
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 235,4 kN
Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.
Глибина центра ваги і площа
yc = d + H/2 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·6 = 235,4 kN
Відповідь
F = 235,4 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 181 kN
Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.
Глибина центра ваги і площа
yc = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3·6 = 181 kN
Відповідь
F = 181 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: v = 4,69 m/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Рівняння Бернуллі до точки гальмування
Біля носика потік зупиняється, тож його кінетична енергія проявляється як додатковий тиск.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·11000/1000) = 4,69 m/s
Відповідь
v = 4,69 m/s
14.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: Q = 10,68 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 230/4,003 = 57,46 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Тиск
P = nRT/V = 57,46·8,314·328,1/0,05 = 3135 kPa
Відповідь
P = 3135 kPa
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 2,298 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Густина
ρ = 200·28,01/(8,314·293,1) = 2,298 kg/m³
Відповідь
ρ = 2,298 kg/m³
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: ηmax = 65,28 %
Обмеження другого закону: жоден цикл між резервуарами з абсолютними температурами TH і TL не може перевершити оборотний цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) і COPHP,max = TH/(TH − TL). Енергія завжди зберігається: QH = W + QL.
Абсолютні температури
TH = 600 + 273,15 = 873,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
ККД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/873,1 = 65,28 %
Відповідь
ηmax = 65,28 %
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Sgen = 0,952 kJ/K
Генерування ентропії: за повний цикл зміна ентропії робочого тіла дорівнює нулю. Гарячий резервуар втрачає QH/TH, а холодний отримує QL/TL. Їхня сума — це згенерована ентропія, яка дорівнює нулю для оборотного циклу й додатна для кожного реального.
Відведена теплота
QL = QH − W = 2200 − 1210 = 990 kJ
Абсолютні температури
TH = 700 + 273,15 = 973,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
Зміни ентропії резервуарів
ΔSH = −2200/973,1 = −2,261 kJ/K
ΔSL = 990/308,1 = 3,213 kJ/K
Sgen = 3,213 − 2,261 = 0,952 kJ/K
Відповідь
Sgen = 0,952 kJ/K
Sgen > 0, тож двигун можливий, але необоротний.
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: di = 7,5 cm
Геометрична оптика: на межі n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеліуса), кути відлічують від нормалі, а n = c/v. У повільнішому середовищі промінь заломлюється до нормалі. Із густішого середовища (n₁ > n₂) за межею критичного кута θc = arcsin(n₂/n₁) усе світло відбивається: повне внутрішнє відбиття. Тонкі лінзи та сферичні дзеркала підпорядковуються рівнянню 1/f = 1/do + 1/di зі збільшенням m = −di/do. Правило знаків: f > 0 для збірної лінзи й увігнутого дзеркала (f = R/2), f < 0 для розсіювальної лінзи й опуклого дзеркала; di > 0 для дійсного зображення, di < 0 для уявного, а m < 0 для перевернутого зображення.
Рівняння тонкої лінзи
1/di = 1/f − 1/do = 1/5 − 1/15
di = 7,5 cm
Хід променів
дійсне, з іншого боку лінзи
Відповідь
di = 7,5 cm
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: θa = 30,18 °
Геометрична оптика: на межі n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеліуса), кути відлічують від нормалі, а n = c/v. У повільнішому середовищі промінь заломлюється до нормалі. Із густішого середовища (n₁ > n₂) за межею критичного кута θc = arcsin(n₂/n₁) усе світло відбивається: повне внутрішнє відбиття. Тонкі лінзи та сферичні дзеркала підпорядковуються рівнянню 1/f = 1/do + 1/di зі збільшенням m = −di/do. Правило знаків: f > 0 для збірної лінзи й увігнутого дзеркала (f = R/2), f < 0 для розсіювальної лінзи й опуклого дзеркала; di > 0 для дійсного зображення, di < 0 для уявного, а m < 0 для перевернутого зображення.